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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Aqui, apresentamos um protocolo para a isolação do RNA, DNA e proteínas da mesma amostra, em um esforço para reduzir a variação, melhorar a reprodutibilidade e facilitar interpretações.
Uma única amostra biológica contém uma infinidade de informações, e agora é prática comum para investigar simultaneamente várias macromoléculas para capturar uma imagem completa dos vários níveis de processamento molecular e alterações entre diferentes condições. Este protocolo apresenta o método de isolar o DNA, RNA, e proteína da mesma amostra do nemátodo Caenorhabditis elegans , para retirar a variação introduzida quando estas biomoléculas são isoladas de repetições de tratamento similar mas finalmente amostras diferentes. Ácidos nucleicos e proteínas são extraídos o nematódeo usando o método de extração de tiocianato-fenol-clorofórmio guanidínio ácido, com posterior precipitação, lavagem e solubilização de cada um. Nós mostramos o sucesso isolamento de RNA, DNA e proteínas de uma única amostra de três estirpes de nematódeo e células HeLa, com melhores resultados de isolamento da proteína em animais adultos. Além disso, tiocianato-fenol-clorofórmio-extraído de guanidínio proteína de nematoides melhora a resolução de proteínas maiores, com níveis detectáveis reforçadas como observado pelo immunoblotting, comparado com a extração de RIPA tradicional de proteína.
O método apresentado aqui é útil quando investigando amostras usando uma abordagem multiomic, especificamente para a exploração do transcriptoma e proteoma. Técnicas que simultaneamente avaliar multiomics são atraentes porque moleculares sinalização subjacentes complexos fenômenos biológicos é pensado para ocorrer em níveis complementares; no entanto, tornou-se cada vez mais comum ver que mudanças nos níveis de RNAm não reflectem sempre a mesma alteração dos níveis de proteína e que o tempo da coleção é relevante no contexto dos regulamentos circadianos. Esse método remove qualquer variação intersample quando a análise do conteúdo diferente dentro da mesma amostra (intrasample).
Multiomics, a abordagem analítica que usa uma combinação de omics, tais como o genoma, proteoma, transcriptoma, Epigenoma, microbiome ou lipidome, tornou-se cada vez mais popular ao processar grandes conjuntos de dados para caracterização de doença1, 2. Evidências tem mostrado que limitar abordagens para um único "ome" fornece uma análise molecular incompleta (revista por Rotroff e Motsinger-Reif1). Grandes conjuntos de dados são gerados, particularmente ao executar telas usando técnicas de alta produtividade, mas para pintar um quadro completo ou para identificar os alvos mais relevantes, multiomic abordagens são preferíveis. Com a utilização de abordagens de multiomics, no entanto, há a observação frequente das discrepâncias entre o mRNA e proteína níveis3,4,5,6. Notavelmente, mRNA e proteína usado para transcriptomic de side-by-side e proteomic análises com a sequenciação do ARN (RNAseq) e líquida espectrometria de massa em tandem-cromatografia (LC-MS/MS), respectivamente, são muitas vezes obtidas amostras tratadas da mesma forma de réplicas diferentes, introduzir potencialmente variação entre os mesmos condições3,4,5,6. Harvald et al. realizaram um elegante estudo de tempo-curso de fome de c. elegans que comparou o transcriptoma e proteoma do selvagem-tipo (WT) vermes ao de hlh-30 vermes mutantes que não possuem um fator de transcrição importante na longevidade 7. da nota, o RNA e proteína foram colhidas as mesma condição repetições, então não a partir da mesma amostra. Suas conclusões mostram uma baixa correlação entre os níveis de proteína em cada ponto de tempo e os níveis do mRNA (r = 0.559 para 0.628). Na verdade, seu heatmap formados quatro grupos: Cluster, tive uma grande diminuição no mRNA níveis mas pouca ou nenhuma diminuição nos níveis de proteína correspondente, Cluster II tiveram pouco ou nenhum aumento nos níveis de mRNA, mas um aumento nos níveis de proteína, Cluster III tiveram um aumento no mRNA níveis, mas uma diminuição nos níveis de proteína e Cluster IV teve um aumento nos níveis de mRNA, mas somente uma mudança sutil em níveis de proteína4. Além disso, esta variação de intersample pode ser introduzida em casos onde as amostras da mesma condição não são coletadas ao mesmo tempo. Por exemplo, o mRNA e proteínas regulamentadas pelo ciclo circadiano flutuarem dependendo do tempo de dia8,9, ou, mais especificamente, a exposição de c. elegans a luz9; expressão destas proteínas circadiano pode ser atrasada até 8 h após de indução de expressão de gene10. Não obstante, a prevalência desta observação não significa necessariamente que é errado; na verdade, isso pode vir a ser informativo. Proteína e mRNA estão em um constante estado de dinâmico entre formação e degradação. Além disso, as proteínas posttranslationally frequentemente são modificadas para aumentar a estabilidade ou para induzir a sua degradação11. Por exemplo, seu status da ubiquitination pode levar à ativação ou direcionamento para o proteossomo ou lisossoma para degradação12. Além disso, o RNA não-codificante desempenham um papel importante na regulação da expressão gênica em estágios transcriptional e posttranscriptional13. Assim, a questão é como limitar as variáveis para confirmar que as discrepâncias que observamos nestes estudos nematoides são reais.
Aqui, propomos um método que remove a variável intersample, permitindo que análises de macromoléculas diferentes da mesma amostra. O objetivo do presente protocolo é oferecer um método para isolar consistentemente o DNA, RNA e proteína de uma única amostra de c. elegans (também referido como vermes) em um esforço para reduzir a variação, melhorar a reprodutibilidade e facilitar a interpretações. Benefícios adicionais de usando a mesma amostra incluem a economia de tempo e recursos durante a coleta de amostra, facilitando a análise transversal de valiosas e limitadas de amostras, incluindo cepas que são difíceis de cultivar e manter e ganhando insights sobre a regulação diferencial de macromoléculas com base em intrasample variações nos níveis de mRNA e proteína.
Este método é adequado para avaliar expressões do gene e os níveis de proteína de uma única amostra de vermes, permitindo uma avaliação mais abrangente de vários níveis de processamento molecular. Guanidínio tiocianato-fenol-clorofórmio (GTCp) reagente14, um produto químico comumente usado para isolar o RNA, é usado para a extração de ácidos nucleicos e proteínas do vermes, com posterior precipitação, lavagem e solubilização de cada um. Este protocolo é uma compilação de vários protocolos15,16 com pequenas modificações, projetado com foco em c. elegans, mas também com sucesso isolamos RNA, proteínas e DNA de um pellet de células HeLa seguindo o mesmas etapas. Embora não testado aqui, este protocolo é provável trabalhar em tecidos também17,18.
Nota: Cada etapa de precipitação da macromolécula é realizada em sequência, seguido de lavagens feitas simultaneamente; no entanto, é recomendável para completar o isolamento de RNA primeiro como é intrinsecamente instável.
1. coleta de amostra
2. nucleotídeo e isolamento de proteínas
3. avaliação do mRNA e níveis de proteína
Analisaram-se as amostras de DNA, RNA e proteína, e usando os RNA e proteína isolados de resultados representativos são apresentados aqui. Além disso, vamos comparar a amostra de proteína colhida usando o método GTCp para o comum de método de Lise RIPA22. Para nosso experimento, foi utilizado quatro repetições independentes de cada vermes WT (N2) e dois vermes mutantes long-lived, comer-2 e riscos-123,24.
Qualidade e quantidade de RNA e DNA
A concentração do RNA quando resuspended em 50 µ l de água variou de 0.2-2 µ g / µ l, usar cerca de 3.000 adultos vermes como matéria-prima. Os rácios de absorvância, que indicam a pureza, variaram de 2.0 para 2.2 para A260/A280 e 1,9 a 2,5 para A260/A230 (tabela 1), indicando a sucesso extração de RNA sem contaminação com GTCp componentes, tais como fenol ou guanidina cloridrato.
A extração de DNA foi bem-sucedida, mas a qualidade era variável. A concentração de DNA quando resuspended em 150 µ l de NaOH variaram de 0,04 a 1.1 µ g / µ l. Os rácios de absorvância variou entre 1.8 e 2.1 para A260/A280 e 0,9 a 1,6 para A260/A230 (tabela 1), indicando a sucesso extração de DNA; no entanto, algumas das amostras foram contaminadas com componentes GTCp, como cloridrato de fenol ou guanidina. Se o isolamento do DNA é necessário, cuidado deve ser tomado quando separa a separação de fases GTCp camada média, e mais lavagens podem ser necessárias.
RT-qPCR de alvos selecionados
O isolamento de RNA de quatro amostras independentes de cada estirpe worm foi um sucesso e foi enviado para análise de RNAseq, com subsequente RT-qPCR executada usando um supermix contendo um corante cianina. Metas analisadas por RT-qPCR foram selecionadas de um conjunto de dados grande RNAseq baseado os genes regulados diferencialmente mais comuns em ambos os mutantes em comparação com os vermes do WT. F07C4.1225, um homólogo de humano neuroligin 3, isoforma b, era o alvo selecionado upregulated compartilhado. Incluímos também um gene diferencialmente regulado entre ambos os mutantes, mrp-1,26, para análise adicional, que foi upregulated em comer-2 worms mas ativador em vermes de riscos-1 . Alterações de expressão do mrp-1 foram confirmadas através de RT-qPCR; no entanto, o upregulation F07C4.12 em vermes de riscos-1 previsto pela análise RNAseq não foi visto por RT-qPCR (Figura 1).
Metas adicionais com anticorpos validados para vermes foram investigadas também. Estes incluíram vários marcadores de organela caracterizados no Hadwiger et al.27. Um número destes marcadores foram diferencialmente expressos no nível de mRNA nos vermes mutantes. Como pode ser visto na Figura 1, o lmp-128 e dlg-129 foram upregulated em comer-2 vermes; HSP-4 30, hsp-7030e lmp-1 foram upregulated em vermes de riscos-1 ; HSP-60 31 e pas-732 foram ativador em comer-2 vermes; HSP-60 e tac-133 foram ativador em vermes de riscos-1 .
Preparação de proteína simultânea vs RIPA
Para afirmar a eficiência e a qualidade da proteína com o método GTCp como descrito acima, comparamos a proteína coletada usando o método mais tradicional de RIPA lise22. Usando a mesma quantidade de material, ou seja apenas adultos (cerca de 10.000 vermes) ou uma população mista de adultos, larvas e ovos (cerca de 130.000 vermes), começar a quantidade global coletada com GTCp foi menor quando resuspended em volumes iguais de fim (tabela 1 ); no entanto, a extração de uma população apenas para adultos foi mais bem sucedida do que de uma população mista. Além disso, a qualidade das proteínas era semelhante, embora a proteína GTCp-extraído mostrou uma melhor resolução de proteínas maiores em cima de igual carga de proteína total, conforme mostrado pelo Coomassie mancha na Figura 2. Com efeito, alvos avaliados pelo borrão ocidental na Figura 3 mostraram níveis semelhantes na maioria dos casos; no entanto, as proteínas maiores que 75 kDa mostraram níveis mais baixos da proteína extraída de RIPA em comparação com a proteína GTCp-extraído (Figura 3A, faixa da direita; Figura 3B, amarelo bar).
O método de extração aqui apresentado também foi avaliado na linha de mamíferos células HeLa. Para referência, a quantidade de proteína extraída com RIPA um sedimento compacto de células HeLa 6 milhões (uma pelota de ~ 25 µ l) foi comparável àquela extraída de uma população mista 130.000 de vermes (um sedimento compacto ~ 75 µ l), ou cerca de metade do que é extraído de 10.000 vermes adultos (um ~ 100 µ l gravidade liquidados pellet), como pode ser visto na tabela 1. Mostramos que a eficiência de extração de proteínas (tabela 1) e a resolução de proteínas maiores (Figura 2) foi diminuídas em GTCp comparado à proteína extraída de RIPA em células HeLa, sugerindo que esta técnica funciona melhor em uma população adulta de vermes. A solubilização incompleta da pelota de proteína de HeLa GTCp-extraído da proteína pode ser uma limitação deste método em células de mamíferos.
Alvos de immunoblotting, analisados por RT-qPCR
Em seguida, investigamos os níveis de proteína dos produtos gene testados por RT-qPCR para determinar se os níveis do mRNA correlacionaram com os níveis de proteína. Como pode ser visto na Figura 3, as alterações de média expressão da proteína correlacionaram com as expressões de mRNA média mudadas para muitos destinos; no entanto, alguns níveis de proteína não reflectia as alterações nos níveis de RNAm. Muitas vezes, os níveis do mRNA em comer-2 worms foram maiores do que aqueles em outras cepas, mas os níveis de proteína foram ambos o mesmo ou menor do que as outras cepas do mesmo destino. A observação mais marcante foi os níveis muito elevados de dlg-1 mRNA em comer-2 worms, que não se traduz em mais proteína; na verdade, havia mais baixos níveis de proteína dlg-1 quando comparado com as outras cepas (Figura 3).
Finalmente, os níveis da proteína GTCp-extraído e a proteína extraída de RIPA mostraram uma diferença marcante. O RNA foi extraído da mesma forma para os dois; no entanto, a amostra semelhante, mas separada coletada por lise RIPA mostrou-se marcadamente reduzido os níveis de proteína, particularmente para aqueles maiores que 75 kDa (Figura 3A, faixa da direita; Figura 3B, amarelo bar).
Intrasample comparação dos níveis de mRNA e proteína
Um dos objetivos do presente protocolo foi determinar se a variação que vimos no mRNA e o nível de proteína verdadeiro, ou se pode ser um artefato de variação intersample. Na Figura 4, um subconjunto de metas foi comparado dentro das amostras simples. Cada amostra individual é mostrada como a mesma sombra e cor do ponto, com amostra 1, sendo a sombra mais escura e a amostra 4 como a mais leve sombra de cinza (WT), azul (comer-2), ou vermelho (riscos-1). Na maioria das amostras, houve uma baixa variabilidade dos níveis de mRNA, com maior variabilidade no nível de proteína, uma falha potencial da análise semiquantitativa de western blots. Quando se olha para a posição de cada um dos pontos coloridos entre os pares de mRNA e proteína, a ordem do maior para o menor, muitas vezes não corresponde; por exemplo, em WT, a ordem de mRNA hsp-60 foi a amostra 4, 3, 2, 1, mas os níveis de proteína foram 1, 2, 3, 4. Assim, certamente existem diferenças entre níveis de mRNA e proteína em uma amostra, mas o método apresentado permite que usuários removam o tempo da coleção como uma fonte possível da diferença observada.

Tabela 1: concentrações e absorção rácios. Rácios de pureza e concentrações de RNA e DNA foram medidos em um espectrofotômetro. As concentrações de proteína foram determinadas utilizando um ensaio de quantificação de proteína colorimétrico. O cinza, azul e vermelho destacam as amostras utilizadas para RT-qPCR e borrão ocidental. O amarelo indica amostras utilizadas para comparar GTCp para extração de proteína RIPA ou worm proteína a proteína HeLa. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura 1: expressão gênica por RT-qPCR. Análise de RT-qPCR para o mRNA obtidas por esse método, confirmando alvos identificados de dados RNAseq e de genes marcadores de organela. As barras de erro representam o desvio padrão; n = 4. A concentração de mRNA foi definida em relação a uma curva padrão para cada conjunto de primers. Todos os níveis do mRNA foram normalizados para a média de um conjunto de seis genes de limpeza usado como genes de referência, que incluem act-1, cdc-42, ama-1, nhr-23, pmp-3e cyn-1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: comparação de GTCp-versus proteína extraída de RIPA em worms e células HeLa. Proteínas totais do selvagem-tipo (WT) vermes ou células HeLa colhidas via GTCp ou RIPA método de Lise, separados por SDS-PAGE e corados com azul de Coomassie. Cada pista contém 25 µ g da proteína total. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: níveis de proteína em worms. (A) ocidental do borrão de alvos investigados por RT-qPCR e (B) análise de densitometria de intensidade do sinal. Cada pista contém 20 µ g da proteína total GTCp-extraído do selvagem-tipo (WT), comer-2ou vermes mutantes de riscos-1 . A imagem mostrada é uma representação de quatro repetições independentes por estirpe de verme. Β-actin (inferior) foi usado para controlar para carregamento igual para cada destino; apenas um conjunto representativo é mostrado. A faixa da direita contém 20 µ g da proteína total de RIPA-extraído do vermes mutantes de riscos-1 . (B) as intensidades de sinal correspondente foram quantificadas usando o ImageJ. As barras de erro representam o desvio padrão; n = 4. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: comparação de nível Intrasample mRNA e proteína. Os níveis do mRNA e proteínas de amostras individuais de um subconjunto de metas para cada estirpe estão alinhados. A cor é o representante da tabela 1. O cinza/preto é WT, o azul é comer-2, e o vermelho é riscos-1. mRNA e proteína do alvo mesmo são emparelhados lado a lado e separados por nematoide estirpe. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não têm nada para divulgar.
Aqui, apresentamos um protocolo para a isolação do RNA, DNA e proteínas da mesma amostra, em um esforço para reduzir a variação, melhorar a reprodutibilidade e facilitar interpretações.
L.R.L foi financiado por concessões do NIH/NIA (R00 AG042494 e R01 AG051810), um Glenn Foundation para prêmio de pesquisa médica para pesquisa em mecanismos biológicos do envelhecimento e uma bolsa de faculdade Júnior da Federação Americana para pesquisa do envelhecimento. Os autores gostaria de agradecer seus comentários úteis na escrita deste manuscrito Anita Kumar e Shi Quan Wong.
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| HRP Cabra Anti-Coelho | Li-Cor | 92680011 | |
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| Isopropanol | Fisher | A516-4 | Inflamável, perigo para a saúde |
3 g KH2PO4 6 g Na2HPO4 5 g NaCl Adicionar H2O a 1 litro. Esterilizar em autoclave. Depois que a solução esfriar, adicione 1 mL de tampão de amostra estéril 1 M MgSO4 | |||
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| NanoDrop One | ThermoSci | ||
| PAGE aparelho | BIORAD | ||
| Ponceau S | Alfa Aesar | J60744 | |
| Primers | IDT | 25 nmole DNA Oligo com dessalinização padrão | |
| dlg-1: F (5'-GGTCCTACCA GGCAGTTGAG-3') R (5'-CACGTCCGTT AACCTCTCCC-3') | |||
| hsp-4: F (5'-AGAGGGCTTT GTCAACCCAG-3') R (5'-TCGTCAGGGT TGATTCCACG-3') | |||
| hsp-70: F (5'-CGGCATGTGA ACGTGCTAAG-3') R (5'-GAGCAGTTGA GGTCCTTCCC-3') | |||
| hsp-60: F (5'-ATTGAGCAAT CGACGAGCGA-3') R (5'-CAACACCTCC TCCTGGAACG-3') | |||
| lmp-1: F (5'-ACAACAACAC CGGACTCACG-3') R (5'-ATCGAGCTCC CACTCTTTGG-3') | |||
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| pas-7: F (5'-GTACGCTCAA AAGGCTGTCG-3') R (5'-CTGAATCGGC ATTGGCTCAC-3') | |||
| mrp-1: F (5'-TTTGCCTTGC GCTTGTTCTG-3') R (5'- AGTTCCAGTG CGGAGCATAC-3') | |||
| F07C4.12: F (5'-TGCTGAGCAT GAAGGACTGT-3') R (5'-TGGCAATAGC TCCTCCGTTG-3') | |||
| HK Actina: F (5'-CTACGAACTT CCTGACGGACAAG-3') R (5'-CCGGCGGACT CCATACC-3') | |||
| HK cyn-1: F (5'-GTGTCACCAT GGAGTTGTTC-3') R (5'-TCCGTAGATT GATTCACCAC-3') | |||
| HK nhr-23: F (5'-CAGAAACACT GAAGAACGCG-3') R (5'-CGATCTGCAG TGAATAGCTC-3') | |||
| HK ama-1: F (5'-TGGAACTCTG GAGTCACACC-3') R (5'-CATCCTCCTT CATTGAACGG-3') | |||
| HK cdc-42: F (5'-CTGCTGGACA GGAAGATTACG-3') R (5'-CTCGGACATT CTCGAATGAAG-3') | |||
| HK pmp-3: F (5'-GTTCCCGTGT TCATCACTCAT-3') R (5'-ACACCGTCGA GAAGCTGTAGA-3') | |||
| LightCycler 96 qPCR máquina | Roche | ||
| RIPA buffer: 10 mM Tris-Cl (pH 8,0) 1 mM EDTA 1% Triton X-100 0,2% SDS 140 mM NaCl 1 comprimido de inibidor de protease Roche por 20 mL | |||
| SsoAdvanced Universal SYBR Supermix | BIORAD | 1725274 | |
| SuperSignal West Femto Max Sens Substrate | ThermoSci | 34095 | |
| Trans-Blot Aparelho de transferência | BIORAD | ||
| Trans-Blot Turbo Transfer Pack | BIORAD | 170-4159 | |
| Reagente | TRIzolInvitrogen | 15596026 | Perigo para a saúde (pele, olhos) |
| Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | |||
| N2 (tipo selvagem) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | ||
| eat-2 (MAH95) | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | ||
| rsks-1 (VB633) | Centro de Genética Caenorhabditis (CGC) |